CN113328798A - 一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法 - Google Patents

一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，设计需要传输密钥的线路，保证光量子信号在该信道中传输所需要的时间最短；并对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子，并准确记录发送时间。本发明通过设计传输光量子信号的信道，保证光量子信号在该信道的传输时间最小；测定信号从发送方到接收方所需要的时间并计算误差并确保误差小于截取信号、测量、制备及重发所需最少时间的一半以下；制备随机偏振光单光子信号序列，随机控制信号序列中的单光子发送时间间隔；本发明操作方便，实现方法较简单，具有较高的使用价值。

Description

一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法
技术领域
本发明涉及量子通讯技术领域，具体为一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法。
背景技术
在光量子通讯中，窃听者可以通过技术手段截取发送的量子信息，并随机选择测量基进行测量，然后根据测量到的结果制备相应的光量子态并发送给接收方，以此来进行信息窃听；因此，为保证信息的绝对安全，对接收信息进行防窃听检测是必不可少的。由于窃听者只能随机选择测量基，与发送方使用的制备基相一致的概率为50％，与制备基不一致的测量基(50％)得到的测量结果中将会出现50％的差错。窃听者根据测量结果制备的信息与发送方发送的原信息有25％的差错。根据这一特点，通讯双方通过公共信道比对制备基与测量基，去掉不一致的序列(约50％)，在剩余序列中随机选取一半左右的信息，通过公共信道进行比对。如果差错率超出误差范围，则可能存在窃听者，需要放弃该次通讯，重复操作；如果在误差范围内一致，则排出有窃听者的存在，再进行后面生成共有密钥的步骤。由此可以看出，理论上的安全密钥生成率就只有发送方发送量子信息的25％左右。也就是用于防窃听检测损失了约一半的有效信息，这样就几乎降低了约一半的量子信息传输效率。另外，受现有光量子通信信道限制及设备影响，如单光量子信号在信道中传输损失及测量设备响应等会出现一定差错，导致实际的传输效率更低。更严重的情况是当这种差错率达到一定限度，将无法区分是由于存在窃听者所引起的还是系统本身存在的差错。如使用自由空间作为光量子信道，遇到天气剧烈变化等情况；用光纤作为信道，光纤对光量子的吸收等。为此，寻求具有稳定通信的信道及能够判断是否存在窃听者的其它方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供短距离光量子传输的稳定性、安全性检测并提高传输效率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，包括如下步骤：
A、设计需要传输密钥的线路，保证光量子信号在该信道中传输所需要的时间最短；并对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子，并准确记录发送时间，接收端测定接收信号并记录信号到达及响应时间，多次操作测量后，计算信号在该线路上传输及响应所需要的时间Δt及误差，需确保误差应小于截取测量、制备及重发所需最少时间的一半以下，两者相差越多越好；
B、发送方根据协议约定的四个方向，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列及发送的时间序列：t1、t2、t3、……tn；
C、接收方随机选择测量基矢对光子序列进行测量；同时测量光子到达的时间序列：T1、T2、T3、……Tn；
D、接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间Δt，得到新序列t1+Δt、t2+Δt、t3+Δt、……tn+Δt，并与到达时间序列T1、T2、T3、……Tn进行比对；若超出步骤A所得到的误差，舍弃该次操作，重复步骤B-D；若在误差范围内，可排除存在截听-重发及提前随机发送者；
E、接收方通过公共信道将测量基矢序列告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号通过公共信道告之接收方；
F、双方根据协议，得到共有密钥。
优选的，所述步骤A中所设计的量子信道能保持通信环境的稳定，且光量子在其中传输用时最短；同时，因环境的改变，对光量子在信道中传输时间的影响应控制到足够小，即应小于截听测量、制备及重发所需最少时间的一半以下，两者相差越多越好。
优选的，所述步骤B中光量子信号序列包含随机偏振方向及随机时间间隔。
优选的，所述步骤A中传输密钥的线路为光量子信道，所述步骤B中协议为BB84协议，所述约定的四个方向分别为水平、垂直、45°和-45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设计传输光量子信号的信道，保证光量子信号在该信道的传输稳定并保证传输时间最短；测定信号从发送方到接收方所需要的时间并计算误差并确保误差小于截取测量、制备及重发所需最少时间的一半以下；制备随机偏振光单光子信号序列，随机控制信号序列中的单光子发送时间间隔；接收方随机选择测量基,并测定接收序列中各单光子的偏振态及到达时间；通过公共信道，比对信号序列中各光子到达时间，若在误差范围内一致，可排除出存在窃听者；若超过误差范围，舍弃该次通信结果，重复操作，因此，本发明能发现截听-重发以及提前准备随机发送的窃听者并提高有效光量子利用效率，本发明操作方便，实现方法较简单，具有较高的使用价值。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
A：在需要传输信息的两点之间架设直线管道，管道内充洁净空气，通道作为量子信道，保证量子信息在该信道中传输稳定及所需要的时间最短；
B：对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子序列，并准确记录发送时间序列，接收端测定接收信号并记录信号到达时间序列，多次操作测量后，得到信号在该线路上传输所需要的时间为1us，如果当前技术条件完成截取测量、制备及重发所需时间不小于0.1us，则应保证整个线路误差在±0.05us以内；
C：发送方根据协议(如BB84协议)约定的4个方向(水平、垂直、45°和-45°)，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列：45°、90°、90°、-45°、0°、45°、-45°、0°、45°、0°、90°、-45°(0°、-45°对应的编码为0；45°、90°对应的编码为1，该序列编码为1、1、1、0、0、1、0、0、1、0、1、0)；发送的时间序列0、3us、6us、12us、15us、21us、24us、30us、36us、39us、45us、51us；
D：接收方随机选择测量基矢：+、+、×、×、+、×、+、×、×、+、×、+对光子序列进行测量(测量结果为：0、1、1、0、0、1、1、0、1、0、1、0)；同时测量光子到达的时间序列：1.05us、4.04us、6.99us、12.97us、16.01us、22.03us、24.98us、31.03us、37.01us、40.05us、45.96us、52.01us；
E：接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间10us，得到新序列1us、4us、7us、13us、16us、22us、25us、31us、37us、40us、46us、52us，并与到达时间序列1.05us、4.04us、6.99us、12.97us、16.01us、22.03us、24.98us、31.03us、37.01us、40.05us、45.96us、52.01us进行比对；都在误差范围内，可排除存在截听-重发者；
F：接收方通过公共信道将测量基矢序列：+、+、×、×、+、×、+、×、×、+、×、+告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号2、4、5、6、9、10，通过公共信道告之接收方；
G：双方根据协议，得到共有密钥100110(按照传统方法需要这六个序列中随机选取3个，通过公共信道公开进行防截听检测，最终只能得到3位共有密钥)。
实施例二：
A：在需要传输信息的两点之间架设直线管道，管道内充洁净空气，通道作为量子信道，保证量子信息在该信道中传输稳定及所需要的时间最短；
B：对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子序列，并准确记录发送时间序列，接收端测定接收信号并记录信号到达时间序列，多次操作测量后，得到信号在该线路上传输所需要的时间为5us，如果当前技术条件完成截取测量、制备及重发所需时间不小于0.1us，则应保证整个线路误差在±0.05us以内；
C：发送方根据协议(如BB84协议)约定的4个方向(水平、垂直、45°和-45°)，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列：90°、0°、45°、-45°、90°、-45°、45°、0°、45°、-45°、90°、0°(0°、-45°对应的编码为0；45°、90°对应的编码为1，该序列编码为1、0、1、0、1、1、0、0、1、0、1、0)；发送的时间序列0、3us、9us、12us、18us、21us、27us、30us、33us、39us、45us、51us；
D：接收方随机选择测量基矢：+、×、×、+、+、+、×、×、×、+、×、+对光子序列进行测量(测量结果为：1、0、1、0、1、1、0、1、1、0、1、0)；同时测量光子到达的时间序列：5.05us、8.03us、13.96us、17.05us、23.01us、25.97us、32.05us、35.03us、37.96us、43.95us、50.02us、56.01us；
E：接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间10us，得到新序列5us、8us、14us、17us、23us、26us、32us、35us、38us、44us、50us、56us，并与到达时间序列5.05us、8.03us、13.96us、17.05us、23.01us、25.97us、32.05us、35.03us、37.96us、43.95us、50.02us、56.01us进行比对；都在误差范围内，可排除存在截取-重发及提前随机发送者；
F：接收方通过公共信道将测量基矢序列：+、×、×、+、+、+、×、×、×、+、×、+告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号1、3、5、7、9、12，通过公共信道告之接收方；
G：双方根据协议，得到共有密钥111110(按照传统方法需要这六个序列中随机选取3个，通过公共信道公开进行防截听检测，最终只能得到3位共有密钥)。
实施例三：
A：在需要传输信息的两点之间架设直线管道，管道内充洁净空气，通道作为量子信道，保证量子信息在该信道中传输稳定及所需要的时间最短；
B：对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子序列，并准确记录发送时间序列，接收端测定接收信号并记录信号到达时间序列，多次操作测量后，得到信号在该线路上传输所需要的时间为10us，如果当前技术条件完成截取测量、制备及重发所需时间不小于1us，则应保证整个线路误差在±0.5us以内；
C：发送方根据协议(如BB84协议)约定的4个方向(水平、垂直、45°和-45°)，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列：45°、90°、-45°、90°、0°、45°、-45°、0°、45°、0°、90°、-45°(0°、-45°对应的编码为0；45°、90°对应的编码为1，该序列编码为1、1、0、1、0、1、0、0、1、0、1、0)；发送的时间序列0、6us、9us、12us、18us、21us、27us、30us、36us、39us、45us、51us；
D：接收方随机选择测量基矢：×、+、+、×、+、×、+、×、×、+、×、+对光子序列进行测量(测量结果为：1、1、0、0、0、1、1、0、1、1、0、0)；同时测量光子到达的时间序列：10.4us、16.3us、18.9us、21.9us、28.5us、30.9us、36.7us、40.1us、46.7us、49.5us、44.9us、61.1us；
E：接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间1000us，得到新序列10us、16us、19us、22us、28us、31us、37us、40us、46us、49us、55us、61us，并与到达时间序列A：在需要传输信息的两点之间架设直线管道，管道内充洁净空气，通道作为量子信道，保证量子信息在该信道传输所需要的时间最短；
B：对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子序列，并准确记录发送时间序列，接收端测定接收信号并记录信号到达时间序列，多次操作测量后，得到信号在该线路上传输所需要的时间为5us，如果当前技术条件完成截取测量、制备及重发所需时间不小于0.1us，则应保证整个线路误差在±0.05us以内；进行比对；都在误差范围内，可排除存在截取-重发者；
F：接收方通过公共信道将测量基矢序列：×、+、+、×、+、×、+、×、×、+、×、+告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号1、2、5、6、9、10，通过公共信道告之接收方；
G：双方根据协议，得到共有密钥110110(按照传统方法需要这六个序列中随机选取3个，通过公共信道公开进行防截听检测，最终只能得到3位共有密钥)。
实施例四：
A：在需要传输信息的两点之间架设直线管道，管道内充洁净空气，通道作为量子信道，保证量子信息在该信道中传输稳定及所需要的时间最短；
B：对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子序列，并准确记录发送时间序列，接收端测定接收信号并记录信号到达时间序列，多次操作测量后，得到信号在该线路上传输所需要的时间为20us，如果当前技术条件完成截取测量、制备及重发所需时间不小于1us，则应保证整个线路误差在±0.5us以内；
C：发送方根据协议(如BB84协议)约定的4个方向(水平、垂直、45°和-45°)，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列：45°、-45°、90°、90°、0°、45°、-45°、0°、45°、-45°、90°、0°(0°、-45°对应的编码为0；45°、90°对应的编码为1，该序列编码为1、0、1、1、0、1、0、0、1、0、1、0)；发送的时间序列3us、6us、9us、15us、18us、24us、27us、33us、36us、39us、45us、51us；
D：接收方随机选择测量基矢：+、×、+、×、+、×、×、×、+、+、×、+对光子序列进行测量(测量结果为：1、0、1、0、0、1、0、1、0、0、1、0)；同时测量光子到达的时间序列：23.5us、26.1us、28.5us、34.5us、38.1us、44.3us、46.9us、53.5us、56.1us、58.7us、65.2us、71.1us；
E：接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间3000us，得到新序列23us、26us、29us、35us、38us、44us、47us、53us、56us、59us、65us、71us，并与到达时间序列23.5us、26.1us、28.5us、34.5us、38.1us、44.3us、46.9us、53.5us、56.1us、58.7us、65.2us、71.1us进行比对；都在误差范围内，可排除存在截取-重发者；
F：接收方通过公共信道将测量基矢序列：+、×、+、×、+、×、×、×、+、+、×、+告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号2、3、5、6、7、12，通过公共信道告之接收方；
G：双方根据协议，得到共有密钥010100(按照传统方法需要这六个序列中随机选取3个，通过公共信道公开进行防截听检测，最终只能得到3位共有密钥)。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、设计需要传输密钥的线路，保证光量子信号在该信道中传输所需要的时间最短；并对整个信道进行监控，确保无异常情况；发送方通过公共信道，与接收方进行“对钟”，发送方通过编码基矢制备发送光子，并准确记录发送时间，接收端测定接收信号并记录信号到达及响应时间，多次操作测量后，计算信号在该线路上传输及响应所需要的时间Δt及误差，需确保误差应小于截取测量、制备及重发所需最少时间的一半以下，两者相差越多越好；
B、发送方根据协议约定的四个方向，随机制备不同偏振方向及不同时间间隔的单光子序列，记录各光子的制备基方向序列及发送的时间序列：t1、t2、t3、……tn；
C、接收方随机选择测量基矢对光子序列进行测量；同时测量光子到达的时间序列：T1、T2、T3、……Tn；
D、接收方通过公共信道得到各光子的发送时间序列，加上传输所需时间Δt，得到新序列t1+Δt、t2+Δt、t3+Δt、……tn+Δt，并与到达时间序列T1、T2、T3、……Tn进行比对；若超出步骤A所得到的误差，舍弃该次操作，重复步骤B-D；若在误差范围内，可排除存在截听-重发及提前随机发送者；
E、接收方通过公共信道将测量基矢序列告诉发送方，发送方与制备基矢进行比对，将两者一致的序列号通过公共信道告之接收方；
F、双方根据协议，得到共有密钥。
2.根据权利要求1所述的一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，其特征在于：所述步骤A中所设计的量子信道能保持通信环境的稳定，且光量子在其中传输用时最短；同时，因环境的改变，对光量子在信道中传输时间的影响应控制到足够小，即应小于截听测量、制备及重发所需最少时间的一半以下，两者相差越多越好。
3.根据权利要求1所述的一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，其特征在于：所述步骤B中光量子信号序列包含随机偏振方向及随机时间间隔。
4.根据权利要求1所述一种短距离光量子传输信道及信息安全性检测方法，其特征在于：所述步骤A中传输密钥的线路为光量子信道，所述步骤B中协议为BB84协议，所述约定的四个方向分别为水平、垂直、45°和-45°。
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